Sicherere Produkte durch Flammschutz

Fraunhofer LBF und BAM: Verfahren für flammgeschützte Kunststoffe

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Viele moderne Kunststoffmaterialien kommen heute nicht ohne einen additiven Flammschutz aus. Bei der Neuentwicklung solcher Kunststoffzusammensetzungen gilt es, eine optimale Kombination aus Flammschutz, Verarbeitungsfähigkeit und mechanischen Kennwerten zu erreichen. Wie sich dieses Ziel schneller umsetzen lässt, das haben jetzt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt, und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, gezeigt. Dabei schlagen die Forscher sowohl beschleunigte Verfahren in der Verarbeitung als auch bei der Charakterisierung des Brandverhaltens vor.

Dr. Michael Großhauser, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Gruppe Additivierung, Bereich Kunststoffe, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

Inhaltsverzeichnis

1. Entwicklung flammgeschützter TPU-Formulierungen
2. Deutlich beschleunigte Compound-Entwicklung
3. Rapid-Mass-Kalorimeter geeignet, Flammenschutz zu bewerten

Die umfangreichen Untersuchungen im Rahmen des Forschungsprojekts „Schnelle Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für thermoplastische Polyurethane“ haben wertvolle Daten generiert, die insbesondere mittelständische Unternehmen in Zukunft für die Optimierung ihrer bereits vorhandenen oder für die Entwicklung neuer flammgeschützter Formulierungen nutzen können. Die Ergebnisse des Projekts tragen so zu sicheren Produkten am Markt bei.

Entwicklung flammgeschützter TPU-Formulierungen

Die zunehmende Elektrifizierung der Mobilität sowie die Digitalisierung von Alltagsgegenständen werden zu einem größeren Bedarf an spezialisierten Materialien führen. Thermoplastische Polyurethane (TPU) als Hochleistungswerkstoffe gehören zu diesen Materialien der Zukunft. Der Markt für sie hat bereits jetzt einen Wert von 1,5 Mrd. €, und bis zum Jahr 2025 erwarten Experten ein jährliches Wachstum von 5,3 %. Neben den hervorragenden Eigenschaften wie Dämpfungsvermögen, Kälteflexibilität, chemische Beständigkeit, Verschleiß- und Abriebfestigkeit zeigen diese Polymertypen aber auch eine thermische Instabilität und eine leichte Entflammbarkeit, was die Entwicklung von entsprechenden flammgeschützten Materialien besonders anspruchsvoll macht. Zugleich ist bei der Verarbeitung von TPU zu beobachten, dass es zu einer hohen Scherempfindlichkeit, und daraus resultierend, zu einem Aufbau von Scherspannung kommt, die eine gleichmäßige Dispersion des Flammschutzmittels erschwert. Die Entwicklung von flammgeschützten TPU-Formulierungen ist daher anspruchsvoll und kostenintensiv. Um die Industrie bei diesen Herausforderungen zu unterstützen, haben Wissenschaftler der beiden Institute im Rahmen des Vorhabens „Schnelle Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für thermoplastische Polyurethane“ kooperiert. Es zählt zum Programm „Industrielle Gemeinschaftsförderung und -entwicklung“ (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Deutlich beschleunigte Compound-Entwicklung

Mit dem sogenannten CC/HTS-System (Combinatorial Compounding/High Throughput Screening) strebten die Forscher eine aussagefähige Charakterisierung der hergestellten flammgeschützten TPU-Formulierungen an. Die Compound-Entwicklung wurde dadurch deutlich beschleunigt und zugleich ressourcenschonender. Es wurden dazu flammgeschützte Compounds mit verschiedenen Formulierungen für drei TPU-Basismaterialien mit unterschiedlicher Shore-Härte hergestellt. Als Ziel wurde ein Lastenheft festgelegt, in dem die zu erhaltenden Materialeigenschaften definiert wurden. Der Schwerpunkt lag dabei auf den mechanischen Kennwerten, die durch die Zugabe an Flammschutzmitteln so gewählt wurden, dass der Einfluss auf die mechanischen Kennwerte so wenig wie möglich verändert werden sollte.

Als schnelles Analytikverfahren für das Brandverhalten wurde das Rapid-Mass-Kalorimeter getestet und alle Ergebnisse mit den entsprechenden Messungen im Cone-Kalorimeter detailliert verglichen. Begleitende Untersuchung war die Pyrolyse mit thermoanalytischen Methoden wie der Thermogravimetrie gekoppelt mit der Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer-Pyrolysegasanalyse und der Pyrolyse-Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung.

Rapid-Mass-Kalorimeter geeignet, Flammenschutz zu bewerten

Es konnte so gezeigt werden, dass das Rapid-Mass-Kalorimeter geeignet ist, den erreichten Flammschutz jeglicher flammgeschützter TPU zu bewerten. Die verschiedenen TPU-Typen zeigten nur wenige, aber dafür signifikante Unterschiede, z. B. im Massenverlust der einzelnen Abbaustufen der Pyrolyse und in der Mechanik. Einige Formulierungen mit stickstoffbasierten Flammschutzmitteln zeigten Mechaniken im Bereich des Reinmaterials. Manche erwiesen sich aber hinsichtlich Brandverhalten und Flammschutz als überraschend ähnlich. Vergleiche innerhalb von Materialsets, die auf den gleichen Flammschutzkonzepten, sprich Wirkprinzipien basieren, ergaben exzellente Korrelationen.

Die gewonnenen Erkenntnisse können nun von Unternehmen direkt bei der Entwicklung von flammgeschützten Formulierungen für TPU genutzt werden. Der Einsatz von halogenfreien Flammschutzmitteln im Rahmen des Forschungsvorhabens zeigte zudem Synergien bei verschiedenen Flammschutzmitteln auf, womit die Entwicklung in den Unternehmen in diesem Wachstumsmarkt vereinfacht wird. Die beiden Forschungsinstitute stehen auch über das konkrete Projekt hinaus der Industrie mit ihrer breiten Expertise als Partner im Bereich flammgeschützte Kunststoffe zur Verfügung. bec

Mehr Informationen zur Entwicklung flammgeschützter TPU-Formulierungen gibt es im Abschlussbericht:
t1p.de/x2wt

Kontakt:
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Tel.: 06151 705–0
Fax: 06151 705–214
info@lbf.fraunhofer.de
www.lbf.fraunhofer.de
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz

Kontakt:
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Unter den Eichen 87
12205 Berlin
Tel.: 030 8104–0
Fax: 030 8104–7–2222
info@bam.de
www.bam.de
Präsident: Prof. Dr. Ulrich Panne

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